大型原油儲罐設(shè)計(jì)中安全問題研究

張翀宇

（臺州市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，浙江臺州 318000）

0 引言

大型原油儲罐設(shè)計(jì)中的主要安全問題得不到有效的解決，其造成的后果將不可估量。大型原油儲罐設(shè)計(jì)部門乃至相關(guān)部門一定要給予此項(xiàng)工作足夠的重視。闡述大型原油儲罐工程的危險(xiǎn)性，分析設(shè)計(jì)中存在的安全問題，提出解決方案。

1 大型原油儲罐工程危險(xiǎn)性分析

1.1 原油危險(xiǎn)性分析

原油也就是石油，是一種粘稠的、深褐色液體，被稱為“工業(yè)的血液”，主要是碳和氫組成的多種碳?xì)浠衔铮y(tǒng)稱“烴類”，原油以液體形式存在，具有易燃性；雖然爆炸極限范圍較窄，但仍然具有一定的爆炸危險(xiǎn)性，閃點(diǎn)＞28℃，屬于乙類危險(xiǎn)物品。

1.2 火災(zāi)爆炸事故的原因

由于原油具有一定的爆炸危險(xiǎn)性，進(jìn)而使得火災(zāi)爆炸性危險(xiǎn)成為了影響大型原油儲罐安全性的最大危險(xiǎn)因素?？v觀所有的火災(zāi)爆炸事故發(fā)生均具備著火源，可燃物和空氣等3個(gè)因素。可燃物是火災(zāi)爆炸事故中最重要的因素。

在原油儲運(yùn)過程中泄漏的原油暴露在空氣中，進(jìn)而成為了火災(zāi)爆炸事故的可燃物。造成原油泄漏的原因可以分為冒罐跑油、脫水時(shí)跑油、設(shè)備故障、管線損壞、儲罐的閥件損壞、儲罐密封性差以及儲罐發(fā)生腐蝕等[1]。因此，要想有效規(guī)避可燃物，在原油儲罐的設(shè)計(jì)過程中就應(yīng)充分考慮并加以控制。

儲罐腐蝕是發(fā)生泄漏的重要因素之一，儲罐腐蝕的腐蝕分為內(nèi)壁腐蝕和外壁腐蝕。罐內(nèi)壁腐蝕原因有儲存介質(zhì)的種類、性質(zhì)、成分、溫度和更換的頻率等，不管儲罐存儲的是液體還是氣體，都有2個(gè)腐蝕環(huán)境，一是氣象，二是液相。液相又分為2層，一層是油層，一層是積水層。外壁腐蝕有大氣腐蝕、保溫層水侵后的腐蝕和土壤腐蝕等3種腐蝕形態(tài)。分析儲罐腐蝕情況發(fā)現(xiàn)：儲罐腐蝕一般都是發(fā)生在儲罐的罐底，而且腐蝕的情況一般都很嚴(yán)重。罐底腐蝕時(shí)一般都會呈現(xiàn)出成片的坑點(diǎn)腐蝕，腐蝕的區(qū)域一般是分布在罐底的焊接熱影響區(qū)、凹陷和變形處。罐頂腐蝕次之，伴有孔蝕的不均勻全面腐蝕，罐壁腐蝕較輕，主要發(fā)生在油水界面，油和空氣界面處。

浮盤沉底也會造成大量的原油泄漏。在大型原油儲罐設(shè)計(jì)中浮盤沉底是各個(gè)原油開發(fā)單位特別擔(dān)心的重大安全事故之一。從以往的浮盤沉底案例分析可以看出，造成此類事故的原因大部分都是在浮盤的設(shè)計(jì)、施工乃至管理等方面存在著缺陷或工作失誤。浮盤沉底事故一旦發(fā)生，不僅會造成原油大量泄漏進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)事故，也會對施工地周圍的環(huán)境造成嚴(yán)重影響，進(jìn)而帶來環(huán)境污染問題[2]。

2 大型原油儲罐設(shè)計(jì)中主要安全問題及對策

2.1 大型原油儲罐地基和基礎(chǔ)問題及對策

2.1.1 大型原油儲罐地基和基礎(chǔ)問題

大型原油儲罐地基和基礎(chǔ)處理的科學(xué)性與可靠性直接決定著大型原油儲罐的整體質(zhì)量與可靠性、安全性。然而大型原油儲罐地基和基礎(chǔ)工程在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)卻存在著一些不容忽視的問題。比如在對地質(zhì)進(jìn)行勘察時(shí)存在著諸多認(rèn)識上的誤區(qū)、在進(jìn)行地基和基礎(chǔ)工程的設(shè)計(jì)工作時(shí)沒有將影響地基和基礎(chǔ)工程科學(xué)性的相關(guān)因素全部考慮在內(nèi)以及地表運(yùn)動本身存在無規(guī)律性。這些因素都影響到了大型原油儲罐地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工作的科學(xué)性。而且地基的處理工作到基礎(chǔ)工程的建設(shè)，每一道工序都是在地表下進(jìn)行，一旦設(shè)計(jì)工作出現(xiàn)了問題，進(jìn)而增大了工程的監(jiān)督管理工作的難度。

2.1.2 大型原油儲罐地基和基礎(chǔ)問題處理對策

在進(jìn)行大型原油儲罐工程設(shè)計(jì)時(shí)，首先要做的是對工程施工地的地質(zhì)進(jìn)行勘探與檢測。然后根據(jù)勘探與檢測的結(jié)果有針對性的設(shè)計(jì)大型原油儲罐地基和基礎(chǔ)。同時(shí)，為了防止大型原油儲罐工程受到地震等自然災(zāi)害的影響，需要對儲罐工程的施工地進(jìn)行地震效應(yīng)評價(jià)，防止建設(shè)成功后因?yàn)樵馐艿刭|(zhì)災(zāi)害。面對地表運(yùn)動存在無規(guī)律性的問題，設(shè)計(jì)人員需要結(jié)合地質(zhì)勘探的結(jié)果進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而得出有效的地震效應(yīng)評價(jià)。通過一系列措施的實(shí)施，保證大型原油儲罐地基設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與切實(shí)可行性。

2.2 浮頂儲罐密封裝置存在的問題及對策

2.2.1 浮頂儲罐密封裝置存在的問題

大型原油儲罐在制作過程中難免會出現(xiàn)一些垂直度或者橢圓度上的誤差，這些小小的誤差一旦發(fā)生，就容易影響到浮頂儲罐的密封度，使得浮頂儲罐的密封性差，進(jìn)而引發(fā)原油泄漏現(xiàn)象。原油泄漏后經(jīng)過與空氣接觸，一旦出現(xiàn)火源就容易引發(fā)嚴(yán)重火災(zāi)事故，給整個(gè)工程造成不可估量的損失。

2.2.2 浮頂儲罐密封裝置問題的處理對策

為了有效的解決浮頂儲罐密封裝置密封性差的問題，設(shè)計(jì)部門以及整個(gè)工程與之相關(guān)的部門都應(yīng)該給予此項(xiàng)問題足夠的重視，對造成密封性差的原因進(jìn)行系統(tǒng)全面且科學(xué)的分析，進(jìn)而得出有效的應(yīng)對措施。就目前我國的應(yīng)對措施來說，滾輪骨架密封是比較好的解決方案。在浮頂和罐壁之間會有一個(gè)整體圓環(huán)，滾輪骨架密封則是將整個(gè)圓環(huán)劃分成多個(gè)圓弧線段密封骨架，再用轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸將這些骨架連接起來組成一個(gè)密封圈，這個(gè)密封圈與儲罐的形狀相同，進(jìn)而可以有效的解決浮頂密封差的問題。這種密封方式在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上非常先進(jìn)，密封力大，產(chǎn)生的摩擦力小，同時(shí)這種密封方式本身是一套很好的雙重密封裝置，所以不需要增加任何的構(gòu)件，進(jìn)而減少了投入成本。滾輪骨架密封的上密封較帶可以當(dāng)作防雨擋板，防雨效果非常好。

2.3 油罐抵抗風(fēng)載荷性能的問題及對策

2.3.1 抵抗風(fēng)載荷性能的問題

原油儲罐的大型化發(fā)展趨勢以及它在我國的重要戰(zhàn)略地位決定了它必須具有非常良好的安全性能。隨著原油儲罐越大，其半徑與厚度之比增大，從而造成原油儲罐的剛性減小，抵抗風(fēng)載荷的能力下降。只有具有良好的安全性能以及防震防風(fēng)措施，才能使原油儲罐長期穩(wěn)定發(fā)揮它的儲備石油的作用；如果沒有良好的安全措施，則可能造成原油儲罐失穩(wěn)，一旦失穩(wěn)便會發(fā)生原油泄漏。強(qiáng)風(fēng)對于油罐有很大的影響，大自然中的風(fēng)都是陣風(fēng)，具有一定的頻率吹；臺風(fēng)的風(fēng)力大小最高可以達(dá)到17級（56.1～61.2 m/s）既可能造成油罐被風(fēng)吹癟（靜態(tài)），產(chǎn)生屈曲或傾覆，也可能激起油罐自振（動態(tài)），從而造成破壞。大量事實(shí)表明，目前大型油罐對臺風(fēng)等自然災(zāi)害的預(yù)防有待強(qiáng)化，因此設(shè)計(jì)時(shí)對大型油罐風(fēng)致屈曲特性的考慮非常有必要。

2.3.2 油罐抵抗風(fēng)載荷性能的處理對策

（1）在油罐上設(shè)置抗風(fēng)圈，抗風(fēng)圈的功能是在罐壁上形成節(jié)線圓，以提高油罐的抗外壓能力以保持油罐受風(fēng)載荷時(shí)的圓度，抗風(fēng)圈設(shè)置在油罐的頂部，通常置于包邊角鋼以下1 m的位置上。

（2）當(dāng)抗風(fēng)圈遇到盤梯需開口時(shí)，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)使其斷面系數(shù)≥抗風(fēng)圈所需最小截面系數(shù)。

（3）為滿足強(qiáng)度要求，抗風(fēng)圈本身的接頭必須采用全焊透對接焊縫，抗風(fēng)圈和罐壁的焊接，表面應(yīng)采用連續(xù)滿角焊，當(dāng)抗風(fēng)圈有積液時(shí)，應(yīng)開適當(dāng)數(shù)量排液孔。

（4）抗風(fēng)圈下支托的最大間距 Lmax=（18-24）b1，其中，b1是抗風(fēng)圈邊緣高度。

（5）設(shè)置了抗風(fēng)圈以后罐體的上部保持了圓度但抗風(fēng)圈下部的筒體仍可能局部被吹癟，需在下部適當(dāng)位置設(shè)置加強(qiáng)圈。加強(qiáng)圈的功能是提高油罐的抗外壓能力。當(dāng)2個(gè)加強(qiáng)圈之間罐壁的許用應(yīng)力臨界壓力＞設(shè)計(jì)外壓時(shí)，可以認(rèn)為罐壁具備足夠的抗風(fēng)能力。即罐壁的側(cè)壓穩(wěn)定條件[Pcr]＞P，其中，[Pcr]是罐壁的許用應(yīng)力臨界壓力，P是設(shè)計(jì)外壓。

（6）加強(qiáng)圈的設(shè)置方法（表1）。

表1 加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)方法

2.4 浮盤沉底問題與對策

2.4.1 浮盤沉底原因

浮盤沉底也是大型原油儲罐設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的一個(gè)問題。通過對浮盤沉底問題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致此項(xiàng)問題的因素有很多。比如浮盤在重力上突然增大、浮盤遭受到了外力，進(jìn)而導(dǎo)致浮盤被卡使其失去了自由運(yùn)作的能力。

2.4.2 浮盤沉底問題對策

為了有效的解決浮盤沉底問題，需要在進(jìn)行浮盤設(shè)計(jì)時(shí)將兩大因素充分的考慮進(jìn)去，制定出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。第一，在刮蠟機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，大型原油儲罐設(shè)計(jì)部門以及整個(gè)工程負(fù)責(zé)方要給予其足夠的重視。從我國現(xiàn)有的刮蠟機(jī)構(gòu)來看，在實(shí)際的刮蠟過程中，往往存在著刮蠟質(zhì)量欠佳，進(jìn)而導(dǎo)致蠟沒有被刮干凈，剩下的蠟在油溫降低的情況下就會凝結(jié)在罐壁上，浮盤一旦下降，就容易調(diào)到浮盤上，這樣就容易增加浮盤承受的重量。而且一旦遇到下雨的情況，蠟很容易堵塞中央排水管，再次加大浮盤的重力，進(jìn)而引發(fā)浮盤沉底。因此，在進(jìn)行刮蠟機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要將刮蠟加熱系統(tǒng)對密封裝置產(chǎn)生的老化作用降到最低。同時(shí)，為了防止蠟堵塞中央排水系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中央排數(shù)系統(tǒng)時(shí)，要將中央排數(shù)系統(tǒng)的規(guī)格提高。

2.5 大型原油儲罐防腐蝕措施

大型原油儲罐發(fā)生火災(zāi)事故，大部門都是由于儲罐遭受到了腐蝕，進(jìn)而引起原油泄漏引發(fā)火災(zāi)事故。為此，做好大型原油儲罐的防腐蝕工作就顯得尤為重要。而儲罐最容易發(fā)生腐蝕的地方是在罐底和罐壁，不管是罐底的內(nèi)壁還是罐底的外壁都是發(fā)生腐蝕比較嚴(yán)重的地方。通過研究可以發(fā)現(xiàn)，在儲罐的不同地方，引起腐蝕的原因也存在著不同。那么在采取防腐蝕措施時(shí)，就不能夠一刀切，而需要根據(jù)腐蝕的部位有針對性的選擇防腐蝕措施。

2.5.1 罐底外壁的防腐措施

罐底外壁發(fā)生腐蝕時(shí)，就我國目前常用的防腐方法來看，大部分都是在罐底外壁做防腐涂層。這種防腐方法在我國得到了廣泛的應(yīng)用，而且取得了可觀的效果。

2.5.2 罐底內(nèi)壁防腐

有時(shí)候會將防腐涂層方法應(yīng)用到罐底內(nèi)壁的防腐工作中，但是發(fā)現(xiàn)同樣的方法在內(nèi)壁起到的防腐作用不如外壁的防腐作用強(qiáng)。為此，在進(jìn)行罐底內(nèi)壁防腐工作時(shí)，在罐底內(nèi)壁涂抹了防腐涂層外，也會額外采用犧牲陽極或強(qiáng)制電流陰極保護(hù)法。此種方法不僅可以有效防止罐底內(nèi)壁的腐蝕，而且可以有效的防止儲罐遭受雷擊與接地極。

2.5.3 儲罐外壁的防腐措施

在對儲罐外壁開展防腐工作時(shí)，需要將儲罐罐底部水深的高度考慮進(jìn)來，而且需要對涂料的種類進(jìn)行嚴(yán)格的選擇。比如，在進(jìn)行外壁防腐時(shí)，在底部水層高度范圍內(nèi)，應(yīng)對罐底內(nèi)壁1 m高采用環(huán)氧基耐油耐鹽水油罐專用絕緣涂料，外壁的其他部位可以采用油罐專用導(dǎo)靜電涂料。

2.6 防火堤排水設(shè)計(jì)問題及對策

設(shè)置防火堤是為了防止大型原油儲罐發(fā)生爆炸或者儲罐發(fā)生破裂時(shí)原油大量流出，引發(fā)大面積的火災(zāi)。防火堤的設(shè)置，可以在一定程度上降低火災(zāi)發(fā)生的面積，所以，防火堤一般都具備良好的密封性。在我國目前的大型原油儲罐設(shè)計(jì)中，排水管一般都會經(jīng)過防火堤，為了保證防火堤不受雨水的干擾，防火堤的密封裝置在設(shè)置時(shí)，需要滿足儲罐外也能夠?qū)ζ洳僮鞯臈l件。就我國目前的防火堤來看，大部分都是采用活動閘板。閘板在下雨時(shí)能夠打開，在排完水后，則將其關(guān)閉。如果閘板失靈，下雨排水后未能及時(shí)關(guān)閉，且此時(shí)剛好原油溢出且引發(fā)火災(zāi)事故，這將很有可能擴(kuò)大火災(zāi)事故的面積，進(jìn)而給事故的處理工作帶來極大的難度。為此，在進(jìn)行防火堤排水設(shè)計(jì)時(shí)，建議在防火堤外設(shè)置由水封井和切水收油裝置聯(lián)合組成的阻火隔油排水三項(xiàng)功能為一體的裝置。這樣火災(zāi)發(fā)生時(shí)既可以排水，也可以防止原油過度浪費(fèi)。

3 結(jié)束語

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在原油開采過程中，為了提高原油的存儲量且提高開采的工作效率，使得原油儲罐在體積上越來越大。也正是由于大型原油儲罐的存儲量大，使得原油一旦發(fā)生泄漏且引發(fā)火災(zāi)事故，就會造成原油資源的大量浪費(fèi)，也會給周圍環(huán)境造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。為此，大型原油儲罐設(shè)計(jì)工作人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí)，要將儲罐設(shè)計(jì)中的主要安全問題進(jìn)行綜合的考慮，進(jìn)而采取有效的應(yīng)對措施。并最終促進(jìn)我國原油開采事業(yè)的健康發(fā)展。